一种大气污染物浓度观测系统及其观测方法与流程

本发明涉及一种大气污染物浓度观测系统及其观测方法。

背景技术：

近年来，大气污染已经成为世界性问题。有针对性的进行大气污染防控与治理，需要对城市内大气污染时空分布进行监控。而从当前国内城市大气污染物浓度监控现状来看，整体处于测站密度过低、难以实时测量的状况。国内近地面大气污染物浓度观测主要以地面气象站观测和应急移动观测为主。对于地面气象站观测来说，建设成本高且受环境限制，分布密度过低，无法适应城市内大气污染物浓度分布实时监控的需求；而对于移动观测来说，为获得尽可能同时次的多的数据，需要大量的移动观测车辆，这样观测的成本也将非常高，在业务研究污染物浓度实时分布中也失去了实际意义。但是对于一个城市而言，公交车辆数量往往巨大而且在运行时间较为均匀的分布在城市各地，是一个潜在的移动观测平台。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种大气污染物浓度观测系统，解决现有技术中大气污染物浓度观测网密度过低、难以实行实时监控的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种大气污染物浓度观测系统，包括车载系统、数据处理与管理系统和可视化显示系统；

所述车载系统包括：北斗导航系统、污染物浓度检测装置和数据传输设备；

车载系统通过北斗导航系统获取位观测位置信息，通过污染物浓度检测装置获取观测位置的污染物浓度信息，经数据传输设备传输至数据处理与管理系统；

所述数据处理与管理系统对污染物浓度信息进行实时处理，将处理后的数据上传至可视化显示系统。

还包括用户管理系统，所述用户管理系统包括：用户信息管理模块和管理员信息管理模块；

所述用户信息管理模块用于管理用户注册信息、用户账户信息和用户在线信息；

所述管理员信息管理模块用于管理管理员注册信息、车载系统监控和设置、可视化显示系统设置以及数据查看和下载。

所述数据处理与管理系统包括：数据接收模块、数据处理模块、数据管理模块和数据上传模块；

所述数据接收模块用于接收观测位置信息及相应的污染物浓度信息，同时接收用户管理系统输出的控制指令；

所述数据处理模块用于对观测数据进行实时处理，包括修正异常值或者缺测值处理；

所述数据管理模块用于将处理后的数据以二进制或者十进制的方式储存，为后续使用提供数据源，并接收管理员指令；

所述数据上传模块用于将处理好的标准化数据上传到可视化显示系统。

所述污染物浓度检测装置包括：co浓度传感器、so2浓度传感器、nox浓度传感器和颗粒物浓度传感器。

所述可视化显示系统包括：区域实时动态分布单元、污染物的预报产品以及数据结果发布模块；

所述区域实时动态分布单元用于显示城市大气污染物浓度的实时分布图以及固定地点污染物浓度随时间变化的趋势图；

所述污染物的预报产品用于输出区域空气质量的评估、未来发展趋势的预报以及出行方面的建议；

所述数据结果发布模块用于在客户端上发布观测数据结果和相关产品。

所述客户端包括手机终端和pc终端。

所述车载系统设置于公交车的顶部。

本发明还提供了一种大气污染物浓度观测方法，包括如下步骤：

(1)收集数据：基于北斗导航系统和车载系统中污染物浓度检测装置获取车辆的位置数据和污染物浓度数据；

(2)数据处理：基于收集的数据，利用3σ准则和回归插补法分别对收集的数据进行异常值处理和缺测值修正，得到预处理后的数据；

(3)可视化显示：利用预处理后的数据，进行可视化显示，包括：实时动态分布和预报产品发布，从而实现大气污染物浓度观测。

所述3σ准则是先假设一组检测数据只含有随机误差，对其进行计算处理得到标准偏差，按概率确定区间，认为凡超过这个区间的误差，就不属于随机误差而是粗大误差，含有该误差的数据应予以剔除。

所述回归插补法是把缺失属性作为因变量，其他相关属性作为自变量，利用两者之间的关系建立回归模型用于预测缺失值，以完成缺失值插补的方法，是用非标准化的结果预测该变量的缺失值来实现的。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：基于北斗卫星导航系统的实时定位功能，提出以城市公交系统为平台，建立城市大气污染物浓度观测网，实现大气污染物浓度移动观测，观测结果更加及时、准确，为城市大气污染防控与治理提供有效支撑数据。

附图说明

图1是本发明的总体结构框图；

图2是车载系统的结构框图；

图3是数据处理与管理系统的结构框图；

图4是可视化显示系统的结构框图；

图5是用户管理系统的结构框图；

图6是本发明提供的大气污染物浓度观测方法的流程图。

具体实施方式

本发明以城市公交系统为平台，结合电子通信技术，移动观测大气污染物浓度的方案。当装有车载系统的公交车运行后，车载系统将会根据北斗导航系统的定位功能，对公交车的当前位置进行定位，并在匹配的地图中标记，同时通过网络将车载移动观测系统测量的大气污染物浓度观测值等信息实时回传到数据处理与管理系统中，进行数据处理与整合，并传送给可视化显示系统，用于建立城市大气污染物浓度观测网并制作污染物预报产品。

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1至图5所示，本发明提供的大气污染物浓度观测系统，包括车载系统、数据处理与管理系统、用户管理系统、可视化显示系统和电源模块。

车载系统包括：北斗导航系统、污染物浓度检测装置和数据传输设备。车载系统通过北斗导航系统获取位观测位置信息，通过污染物浓度检测装置获取观测位置的污染物浓度信息，经数据传输设备传输至数据处理与管理系统；数据处理与管理系统对污染物浓度信息进行实时处理，将处理后的数据上传至可视化显示系统。

数据处理与管理系统包括：数据接收模块、数据处理模块、数据管理模块和数据上传模块。数据接收模块用于接收观测位置信息及相应的污染物浓度信息，同时接收用户管理系统输出的控制指令；数据处理模块用于对观测数据进行实时处理，包括修正异常值或者缺测值处理；数据管理模块用于将处理后的数据以二进制或者十进制的方式储存，为后续使用提供数据源，并接收管理员指令；数据上传模块用于将处理好的标准化数据上传到可视化显示系统。

用户管理系统包括：用户信息管理模块和管理员信息管理模块。用户信息管理模块用于管理用户注册信息、用户账户信息和用户在线信息；用户注册信息：通过用户管理系统，用户可注册成为管理员，可进行系统日常管理操作。用户账户信息：用户账户分为超级管理员和管理员，前者将赋予系统最高权限(1名)，后者负责系统日常操作管理(多名)。用户在线信息：管理员登录或者退出系统。管理员信息管理模块用于管理管理员注册信息、车载系统监控和设置、可视化显示系统设置以及数据查看和下载，具体为：管理员注册信息：系统显示管理员的注册、登录和在线信息；北斗接收器监控和查看：管理员可查看某一时刻所有车辆的位置图、接收器的运行状况、接收器开关机状况及其是否异常，并可设置接收机采样时间间隔；数据处理管理状态查看：管理员可查看个数据模块、数据传输装置及传输网络装置的工作情况；可视化系统设置：管理员可设置区域和时间的划分、显示系统的模式、预报产品的类型并可以查看数据接收终端；数据处理：管理员可进行位置和浓度信息下载、历史记录数据的查看和生成报表。

可视化显示系统包括：区域实时动态分布单元、污染物的预报产品以及数据结果发布模块；区域实时动态分布单元用于显示城市大气污染物浓度的实时分布图以及固定地点污染物浓度随时间变化的趋势图；污染物的预报产品用于输出区域空气质量的评估、未来发展趋势的预报以及出行方面的建议；数据结果发布模块用于在手机终端和pc终端上发布观测数据结果和相关产品。

电源模块为整个车载系统供电，可借助于公交车的电路系统供电，并配备蓄电瓶作为应急电源。

污染物浓度检测装置包括：co浓度传感器、so2浓度传感器、nox浓度传感器和颗粒物浓度传感器。

车载系统设置于公交车的顶部，主要原因有以下两点：

(1)系统所用装置形态较小，安装后所占空间不大，可以与公交顶上的空调等凸起的装置平齐放置，这样既不增加公交车的高度，对公交车正常行驶不造成影响，又不会影响公交车的美观；

(2)公交车行驶过程中，车与车之间的距离都比较接近，若放在其他位置，该装置可能会过于接近周围车辆的尾气管，测得的数据误差较大，但安置在相对较高的公交车顶上，可减小车辆尾气管排出的尾气对观测结果的影响。

本发明还提供了一种大气污染物浓度观测方法，该方法是基于上述观测系统实现的，如图6所示，提供的大气污染物浓度观测方法的流程图，包括如下步骤：

(1)收集数据：基于北斗卫星系统和车载系统中观测污染物浓度传感器获得车辆的位置数据和污染物浓度数据，作为本方案的基础数据；

(2)数据处理：基于收集的数据，利用3σ准则和回归插补法分别对收集的数据进行异常值处理和缺测值修正，得到比较完整可靠的数据；在这里3σ准则的原理是先假设一组检测数据只含有随机误差，对其进行计算处理得到标准偏差，按一定概率确定一个区间，认为凡超过这个区间的误差，就不属于随机误差而是粗大误差，含有该误差的数据应予以剔除。回归插补法的原理是把缺失属性作为因变量，其他相关属性作为自变量，利用他们之间的关系建立回归模型的来预测缺失值，以此完成缺失值插补的方法，是用非标准化的结果预测该变量的缺失值来实现的；

(3)可视化显示：利用预处理后的数据，进行可视化显示，这里根据用户的不同需求主要包括两部分，即实时动态分布和预报产品发布，从而实现大气污染物系统的建立。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。